基于无线传输的道路机动车尾气监测系统研制
为解决现阶段机动车尾气监测使用“怠速”法检测带来的尾气数据缺乏真实性的问题，提出了利用无线传输技术实现机动车尾气实时检测的方案。该方案利用无线传输技术，将传感器采集到的尾气信息发送到检测人员的手持设备中，完成对机动车尾气的动态实时检测，提高了尾气检测的便捷性和准确性。经验证，该方案能够有效的完成机动车正常行驶过程中的检测任务，有一定的推广价值。
【关键词】机动车 尾气 实时监测 无线传输
近年来，机动车已逐步成为人们普通的交通工具，给人们带来了出行的方便。但是，排放不达标的机动车排出来的尾气不仅给环境带来巨大的破坏，还给人们的身体健康造成很多危害。国内近些年已经采取措施对机动车尾气排放进行检测，但是对汽车尾气的检测方法主要是实行国家规定的“怠速法”，也就是在台架上进行尾气排放检测。该方法并不是真正的在实际行驶过程中的检测，不能真实的反映机动车在路面上行驶时的尾气排放状况。现在研究设计出的无线检测设备还不能完全的实现尾气的实时行驶检测，比如专利号为 CN202974973U的中国专利提出的便携式的尾气检测设备，这种检测装置是在车辆空转时进行无线检测，无法在车辆正常行驶时进行检测。由于缺乏有效的便捷式尾气检测设备，目前国家对机动车尾气排放的监管还缺乏准确有效的依据。
本文研究的目标是设计出一套基于无线传输的道路机动车尾气监测系统。利用2.4G无线通信技术将安装在尾气排放处的传感器采集到的尾气信息发送到检测人员的手持设备中，进行数据分析处理，判定排放是否合格。实现汽车行驶过程中尾气排放的实时检测，解决目前尾气检测不准确的问题。让有关部门真实准确地监测超标车辆，对于改善城市环境有现实意义。
1 总体方案和基本原理
1.1 总体方案
本项目是通过安置在汽车排气口处的半导体气敏传感器对汽车排放出的尾气进行采样，采样信号通过放大滤波电路进入单片机，选用带有AD采集功能的STC12C5A60S2系列单片机进行信号采集，并将采集来的信号通过低功耗高性能2.4GHz GFSK无线收发芯片发送给手持接收设备。手持设备接收信号并通过一系列的数据处理分离出有用的信号。最后分析该信号就可以得到尾气中各种气体的含量，如图1。
1.2 基本原理
1.2.1 半导体气敏传感器
半导体气体传感器检测原理是：在一定条件（工作温度）下，在被测气体到达半导体表面并发生化学反应的过程中，伴随着电荷转移引起半导体电阻变化，由于传感器在清洁空气中的电阻较大，而一旦遇到还原性被测气体，如二氧化氮或易燃性气体，其电阻就会大大降低，因此可通过测量传感器电阻的变化实现对气体的检测。
半导体气体传感的气体检测线性度很好，可以准确的检测出尾气中的有害气体成分。
1.2.2 2.4G无线传输
常用的2.4G模块是基于Nordic公司生产的NRF24L01模块，它是一款内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能的模块，并融合了增强型Shock burst技术的新型单片射频收发器件。只要在该模块的基础上加上外界电路和发射天线就可以构成成品的收发模块。
NRF24L01是基于SPI协议工作的，SPI是一种全双工、高速、同步的通信总线，它支持高达3.2Mbps的速率。通过MOSI、MISO、SCK、CS四个基本的控制线实现全双工工作。
2 硬件电路的设计
硬件电路设计分为单片机模块设计、检测电路抗干扰设计以及数据发送接收电路设计。
本项目核心芯片采用STC12C5A60S2。该系列单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的8051单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM波，8路高速10位A/D转换。在核心芯片的基础上做下列电路设计就可以完成主要的电路设计：（1）在采集电路前面加上集成运放实现采集电压的放大；（2）搭建时钟源、复位电路等基本电路；（3）手持部分主要构建接收电路以及液晶显示和指示报警电路；（4）运用稳压电源实现单片机的电源供给，构成基本的电源电路，如图2。
传感器检测模块除了提供必要的电源供给外，还需要设计相应的信号放大电路，来完成对小信号的采集。为了实现传感器的电压信号和采集信号的隔离，实现抗干扰的功能，采用光电耦合电路。
3 软件部分的设计
通过软件使硬件电路和处理芯片完成相应的数据采集和分析，以达到检测的目的。软件部分可分为数字滤波程序和数据分析程序。
3.1 中值滤波法
数据滤波有很多优秀的算法，本文采用中值滤波法。将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入，如图3。
3.2 数据的处理分析程序
本模块采用定时中断的方法，将一段时间内采集到的数据与正常数据进行比较，比较的方法采用最简单的均值法，算得采集到的某种气体的浓度均值，再与正常状态下的数据进行比较，判断该气体的排放是否超标。如果超标，液晶显示屏将显示相应的数据信息，超标报警指示灯将亮起。
3.3 系统的总体程序设计（如图4）
4 结论
本系统利用STC12C5A60S2单片机对气敏传感器采集到的数据进行处理，替代目前的检测方式，可以对尾气排放进行实时检测，加强了对汽车尾气污染的防治。在国家对机动车尾气排放的要求越来越严格的背景下，该系统不仅能检测汽车在实际路况上运行时的尾气排放所含的污染物的浓度，也可以用于汽车驾驶室内的空气质量检测。同时，该项技术还可以展应用于温湿测量、工业控制、室内空气检测等领域。在智能手机发展的背景下，可以将接收设备与手机融合，实现更方便更高效的检测。
参考文献
[1]方扬.基于国III标准的汽车尾气检测分析系统[D].杭州：浙江大学，2008.01-15.
[2]邓立三.气体检测与计量[M].郑州：黄河水利出版社，2009，92-94.
[3]张毅刚.单片机原理及应用（第二版）[M].北京高等教育出版社，2010.05：271-274.
[4] STC12C5A60S2系列单片机器件手册[EB/OL]，2011.1.05：08-09.
[5]徐士良.C常用算法集（第五版）[M].北京：清华大学，2013.04. 250-300.
作者简介
蒋运超（1993-），男。现为安徽师范大学物理与电子信息学院大学本科在读。主要研究方向为电子信息。
作者单位
安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽省芜湖市 241000
